塑料彈夾注塑模具的設計

□ 于維斌 □ 賴幸娜

東莞市機電工程學校 廣東東莞 523846

1 設計背景

注塑成型中,保壓冷卻階段的時間占整個成型周期的50%以上,由此,模具溫度變化的均勻性是影響塑件成型質量的重要指標[1]。多孔深腔類塑件由于結構特征,在冷卻過程中往往會出現冷卻不均勻、冷卻時間過長等弊端,傳統水路的改進空間小,設計困難,無法進行有效改進[2]。筆者嘗試將增材制造技術引入多孔深腔模具的冷卻水路,利用增材制造加工特性設計隨形水路,進而設計塑料彈夾注塑模具,更好地保證型腔溫度的均勻性,有效提高效率,縮短生產周期[3-5]。

2 塑料彈夾結構與工藝

塑料彈夾的結構如圖1所示,材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,形狀為八個空心圓柱體通過塑料筋板分兩行均勻排列,各孔圓心間距為17.3 mm。圓柱體外側為三邊形結構,頂端為45°傾斜平面。在圓柱體內孔位置有深腔,深腔的中心位置有一個高度為47.5 mm的十字骨結構。塑料彈夾的整體外形尺寸為74.2 mm×50.5 mm×78 mm,壁厚為0.9 mm。結合塑料彈夾多孔深腔的結構特征和整體外形尺寸,設計注塑模具型腔的結構為一模兩腔分布。

塑料彈夾在使用過程中,內外表面均為工作面,并且在空心圓柱體中心位置有十字骨結構,要求有較好的抗沖擊變形、耐磨損性,以及良好的表面粗糙度。因此,除了對塑料彈夾材料的選擇有要求外,對冷卻水路的設計也提出了更高的標準。冷卻系統應保證型腔溫度均勻,利用增材制造加工特性設計隨形水路,改善塑料彈夾收縮的均勻性[6]。

3 冷卻水路設計

在模具溫度高導致塑件缺陷且傳統制造無法實現冷卻加工的情況下,可以采用增材制造技術[7]。傳統水路與隨形水路對比如圖2所示。通過增材制造技術設計隨形水路,可以增大冷卻流量,保證型腔溫度均勻,提升冷卻效率,縮短生產周期[8]。

根據塑料彈夾結構特征,結合隨形水路的特點,塑料彈夾注塑模具冷卻系統采用隨形水路環繞的設計。隨形水路可以緊貼塑料彈夾的形狀環繞進出,達到充分冷卻的效果。隨形水路設計方案如圖3所示。

隨形水路分解圖如圖4所示,分為兩個部分。第一個部分主要負責多孔深腔部分內側的冷卻,通過水路可以很好地對圓柱深腔的內部表面及深孔中心的十字骨結構進行快速均勻冷卻。由于水路緊貼型腔,因此在開合模的過程中不會發生干涉。第二個部分對深腔外部筋板連接部分進行冷卻,配合第一個部分,均勻地對塑料彈夾進行冷卻,達到內外均勻冷卻的目的。按照一模兩腔的注塑模具結構,隨形水路對稱分布于型腔兩側位置。

▲圖1 塑料彈夾結構

▲圖2 傳統水路與隨形水路對比

▲圖3 隨形水路設計方案

采用增材制造技術,隨形水路可以選用H13、8407、420、S136等鋼材,材質洛氏硬度(HRC)范圍在48～54之間。增材制造后,表面粗糙度Ra為9～12.5 μm,可拋光等級為SPI A-3、SPI A-2,增材制造方式為一體式。增材制造水路部分效果圖如圖5所示。

4 型腔設計

根據塑料彈夾多孔深腔的結構,注塑模具的型腔設計要求較為復雜。綜合考慮冷卻系統的設計布局,單一的型腔結構已無法滿足塑料彈夾生產的需求,型腔需要采用鑲塊疊加配合的形式來完成注塑。鑲塊與型腔相對位置如圖6所示。鑲塊1鑲嵌在動模型芯內部,鑲塊2鑲嵌在鑲塊1中間,兩者相互配合形成固定的型腔,完成塑料彈夾多孔深腔及深孔中心十字骨結構的注塑。鑲塊2與鑲塊1配合,主要負責塑料彈夾多孔間筋板的形成。鑲塊1、鑲塊2內部為中空結構,目的是在中空部分設置隨形水路。塑料彈夾在冷卻過程中被隨行水路均勻包裹,可以達到快速均勻冷卻的效果。

▲圖4 隨形水路分解圖

▲圖5 增材制造水路部分效果圖

因為塑料彈夾整體外形尺寸偏小,且生產批量大,所以在型腔布局上采用一模兩腔的對稱布局。根據型腔鑲塊組成的結構,進澆方式采用側面進澆。在定模型芯和動模型芯上分別加工澆注流道,形成封閉的澆注系統。注塑模具進澆口設置在動模型芯的側面。

▲圖6 鑲塊與型腔相對位置

5 注塑模具結構

注塑模具結構如圖7所示。結合塑料彈夾的結構特征及冷卻系統的設計特點,注塑模具選用兩板模結構[9-10]。結合企業實際生產需求,采用標準模架。分型面在動模板與定模板之間,控制開合模的零件為拉板、拉板扣機、鎖模塊、回位擊桿、回位桿介子。

注塑模具設計為一模兩腔結構,定模型芯、動模型芯采用具有良好拋光性、耐磨性和尺寸穩定性的S136模具鋼。動模型芯介子由鑲塊1、鑲塊2組成,采用具有良好加工性、拋光性及熱處理穩定性的8407模具鋼。鑲塊1與鑲塊2之間采用過盈配合。鑲塊1內部留有水路通孔,配合增材制造隨形水路連接水嘴。

澆注系統采用側面進澆的方式,定位圈鑲嵌在定模座板上,澆口套鑲嵌于定模座中,定模型芯、動模型芯上的主流道連接分流道。分流道共16條,左右各8條,呈對稱方式均勻開設在動模型芯內部。

注塑模具的推出機構中,由對稱分布在型腔中的16個頂針推出塑料彈夾,由限位柱限定頂針的行程距離,配合斜頂機構斜頂、斜頂座,共同完成推出過程。注塑模具型腔分型結構如圖8所示。

6 注塑模具工作原理

塑料彈夾注塑模具完成注塑后,注塑模具在注塑機滑塊的帶動下,在動模與定模交界處的分型面打開。隨著動模的繼續后移,頂出機構中的頂針開始動作,將成型塑料彈夾向外頂出。在成型塑料彈夾向外頂出的同時,流道的凝料和與其連接成一體的成型塑料彈夾在側面的點澆口斷開。動模繼續后退,當達到定位拉板極限距離后,開模過程完成。此時通過推出機構將成型塑料彈夾完全推出,成型塑料彈夾從動模型芯上完全脫落。

7 結束語

針對塑料彈夾多孔深腔的結構特點,設計了一模兩腔的注塑模具。由于塑料彈夾按照傳統水路工藝難以達到快速均勻冷卻的效果,因此塑料彈夾注塑模具的冷卻水路采用增材制造的隨形水路。隨形水路按照冷卻功效分為塑料彈夾內部冷卻、塑料彈夾外部及筋板冷卻兩部分,按照塑料彈夾的形狀設計并進行增材制造。注塑模具的型腔采用鑲塊組合結構,避免開模時產生干涉。注塑模具的結構布局合理,可以有效縮短塑料彈夾的冷卻時間,達到均勻冷卻的效果,為同類塑件的注塑模具結構設計提供了參考。

▲圖7 注塑模具結構

▲圖8 注塑模具型腔分型結構